CN102253416B - 多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在地质勘探中使用的多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统。本发明的仪器系统包括计算机、SoPC控制电路、高压电源、高压供电电桥、电流取样与隔离放大器、通道输入/高压输出控制电路、电缆、电极、检波器、前置放大器、滤波器、AD转换器、数据存储器。既可以做时间域电法勘探、频率域电法勘探，又可以做地震勘探，具有多功能的特点；测量电法信号时，发送功率可达十千瓦以上，具有功率大的特点；测量道数多，而且可以滚动测量，工作效率大大提高；多道数据同时采集，数据采样速度可以高达十微秒，提高了时间精度。

Description

多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统

技术领域

本发明涉及地质勘探中的物探技术，具体而言，涉及一种多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统。

背景技术

电法勘探技术是地质勘探中应用最广泛的一种物探方法。它是根据岩土、岩石的电阻率和极化特性的差异来探测地质构造、找矿、找水的一种物探方法。常规电法勘探通常是用一个通道测量供电电流后再分时测量电位信号，测量通道少，工作效率低；目前的高密度电法仪器主要是为工程勘探而设计的，测量道数虽然多了(一般为几十道或更多道)，但是功率小(一般为几百瓦)，测量深度浅，不能用于几百米的矿产或其它勘探。而且目前的高密度电法仪器一般不能连续滚动测量，测量几十道更多道后需要移动排列再重新布线测量，即已经测过或还要测量的电缆都需要重新移动后才能测量后面测点的数据，这样费时费力；目前的电法仪器一般分为直流电法仪和交流电法仪，一般的直流电法仪器不能测量交流信号，一般的交流电法仪器不能测量直流信号；目前的电法仪器不能用于地震勘探，地震仪不能用于电法勘探。地震勘探技术利用地震仪通过测量地震波来探测地质构造，解决工程地质、能源地质等问题，一般不考虑测量电法信号，也就是说功能单一。电法仪器不能用于地震勘探，功能也少。总之，传统的物探仪器存在功率较小、功能单一、道数较少、固定排列测量、测量速度较慢等不足。

发明内容

本发明是针对传统物探仪器存在的不足而提出的一种多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统，以至解决上述问题。

本发明采用以下技术方案来实现其发明目的。

本发明提供一种多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统，其特征在于：包括计算机、SoPC控制电路、高压电源、高压供电电桥、电流取样与隔离放大器、通道输入/高压输出控制电路、60道电缆、电极、检波器、前置放大器、滤波器、AD转换器、数据存储器；

其中，所述计算机通过网口连接所述SoPC控制电路，通过USB接口存储与读取数据文件；所述SoPC控制电路通过接口接收计算机指令，控制高压供电电桥把高压电源输入电压转换成正负供电的时间域或频率域的高压电流，通过60道电缆中任意两道上的接头与电极相连形成的电极A和B向地下供电，其中电极B被接到无穷远处；在电压为600V且电流为4A以下的工作条件下，先采用60道电缆与电极相连后的第一道作为电极A开始供电，其余道接收信号，若信号太强时，电极A相邻道不接收信号；接收信号结束后，采用60道电缆与电极相连后的第二道作为电极A开始供电，其余道接收，以此类推，一直到采用60道电缆与电极相连后的最后一道作为电极A供电，其余道接收信号；在做偶极-偶极装置测量时，电极A和电极B在排列上，向前移动供电，测量电极测量信号，能够进行时间域测量和频率域测量；如果电压大于600V且电流大于4A时，将电极A和B放在排列电缆外连专线供电，能加大功率，实现10千瓦以上功率供电测量，以加大勘探深度；

所述电流取样与隔离放大器测量供电电流，并将高压电路与低压电路隔离后进行数字化，并将数字化后的供电电流数据通过SoPC控制电路转发给计算机进行存储；

当用于电法勘探时，60道电缆的每一根分别与一电极相连；用于地震勘探时，60道电缆的每一根分别与一检波器相连；所述SoPC控制电路同时对60道进行控制，其中60道电缆中的任意两道被作为电极A和B进行供电，其余道均作为测量输入通道用于采集信号的输入；

所述SoPC控制电路还控制前置放大器将测量输入通道中采集的模拟输入信号进行放大；放大后的模拟输入信号进入滤波器滤除干扰信号，提高信噪比；经滤波后的模拟输入信号进入由所述SoPC控制电路控制的AD转换器，被转换成数字信号，所述转换后的数据被存储到数据存储器中；所述计算机通过接口电路把数据存储器中的数据读到计算机内存，并与先前所存储的数字化后的供电电流数据一并进行地电及地震采集数据预处理并显示，并且按一定的数据格式存储处理后的数据文件。

进一步地，所有通道中的每个通道有两个继电器，其中一个用于控制供电，另一个用于控制测量，二者不能同时工作，供电时不测量，测量时不供电。

进一步地，所述电缆采用多根组合，仪器左侧连接1-30道电缆，电缆之间串联连接；仪器右侧连接31-60道电缆，电缆之间串联连接；如果与第一根电缆对应的通道测量完成后，可以搬到最后，与最后的电缆连接，实现连续滚动测量。

进一步地，每个通道都有与之对应的24位AD转换器，所有通道都同时采集数据，数据采集速度为十微秒级。

进一步地，该系统还能做地震勘探，进行反射波勘探、反射覆盖测量、折射波勘探、面波勘探、地震影象测量、波速测量、测桩、脉动测量或爆破测量。

本发明的多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统的使用方法为：

(1)采用多根多道电缆，电缆之间串联连接；

(2)每根电缆可以连接6道、8道、10道、12道、15道、20道、24道或30道电法勘探电极或地震检波器，由SoPC控制电路控制。

(3)将1-30道电缆连接到仪器左侧，将31-60道电缆连接到仪器右侧；

(4)在做电法勘探时，电缆连接电极，由SoPC控制电路控制供电或接收电信号；或者在做地震勘探时，电缆连接检波器，由SoPC控制电路控制接收地震信号；

(5)由SoPC控制电路控制高压供电电桥将直流高压电源转换成正负供电的时间域或频率域的高压电流向地下供电；

(6)同步测量多道电压与电流数据或者地震数据，可以扩展测量120道或更多道数据；

(7)将采集到的电压、电流或者地震数据进行处理、显示；

(8)将处理后的结果以文件的形式进行存储。

附图说明

以下根据附图对本发明做详细说明。

图1为功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统的总体电路结构图；

图2为功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统的仪器系统连接图；

图3为多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统仪器的控制与数据采集流程图；

图4为多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统的时间域供电波形图；

图5为多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统的频率域供电波形图；

图6为多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统的供电与测量排列图；

图7为多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统的数据采集框图；

图8为多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统的电缆滚动测量示意图；

图9为多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统的通道输入/高压输出控制电路图。

具体实施方式

具体地，参见附图1本发明的多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统的电路结构图、附图2系统连接图和附图3系统控制与数据采集流程图，本发明的多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统的组成和功能如下：

本发明提供一种多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统，其特征在于：包括计算机、SoPC控制电路、高压电源、高压供电电桥、电流取样与隔离放大器、通道输入/高压输出控制电路、60道电缆、电极、检波器、前置放大器、滤波器、AD转换器、数据存储器；

其中，所述计算机通过网口连接所述SoPC控制电路，通过USB接口存储与读取数据文件；所述SoPC控制电路通过接口接收计算机指令，控制高压供电电桥把高压电源输入电压转换成正负供电的时间域或频率域的高压电流，通过60道电缆中任意两道上的接头与电极相连形成的电极A和B向地下供电，其中电极B被接到无穷远处；在电压为600V且电流为4A以下的工作条件下，先采用60道电缆与电极相连后的第一道作为电极A开始供电，其余道接收信号，若信号太强时，电极A相邻道不接收信号；接收信号结束后，采用60道电缆与电极相连后的第二道作为电极A开始供电，其余道接收，以此类推，一直到采用60道电缆与电极相连后的最后一道作为电极A供电，其余道接收信号；在做偶极-偶极装置测量时，电极A和电极B在排列上，向前移动供电，测量电极测量信号，能够进行时间域测量和频率域测量；如果电压大于600V且电流大于4A时，将电极A和B放在排列电缆外连专线供电，能加大功率，实现10千瓦以上功率供电测量，以加大勘探深度；

所述电流取样与隔离放大器测量供电电流，并将高压电路与低压电路隔离后进行数字化，并将数字化后的供电电流数据通过SoPC控制电路转发给计算机进行存储；

当用于电法勘探时，60道电缆的每一根分别与一电极相连；用于地震勘探时，60道电缆的每一根分别与一检波器相连；所述SoPC控制电路同时对60道进行控制，其中60道电缆中的任意两道被作为电极A和B进行供电，其余道均作为测量输入通道用于采集信号的输入；

所述SoPC控制电路还控制前置放大器将测量输入通道中采集的模拟输入信号进行放大；放大后的模拟输入信号进入滤波器滤除干扰信号，提高信噪比；经滤波后的模拟输入信号进入由所述SoPC控制电路控制的AD转换器，被转换成数字信号，所述转换后的数据被存储到数据存储器中；所述计算机通过接口电路把数据存储器中的数据读到计算机内存，并与先前所存储的数字化后的供电电流数据一并进行地电及地震采集数据预处理并显示，并且按一定的数据格式存储处理后的数据文件。

本发明的多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统的功能包括：时间域电法勘探、频率域电法勘探或地震勘探。

高压电源可调，从几伏到上千伏电压。也可以分成25V、50V、75V、100V、125V、150V、175V、200V，或者是以上任意的组合，最高电压是200V的10倍。这些电压值可以高一些或低一些。高压电源用于向大地输入高压电流，以便测量视电阻率、极化率以及相位差、复电阻率等数据。如图4所示，在进行时间域电法勘探时，高压供电电桥将高压电源输入的直流高压转换成正供电、停、负供电、停、再正供电，周而复始的时间域供电波形；如图5所示，在进行频率域电法勘探时，高压供电电桥将高压电源输入的直流高压转换成2-6Hz至214Hz的频率域供电波形。该高压供电电桥还有过压保护、过流保护、欠流保护、超温保护、输入欠压保护功能。

采用多根多道电缆，电缆之间串联连接；每根电缆连接6道、8道、10道、12道、15道、20道、24道或30道电法电极或地震检波器。将一半电缆连接到仪器左侧，将一半电缆连接到仪器右侧；在做电法勘探时，连接电极，由SoPC控制电路控制供电或接收电信号。在做地震勘探时，连接地震检波器，由SoPC控制电路控制接收地震信号。

在数据采集过程中，SoPC控制电路根据计算机的指令首先选定供电电极。在进行时间域电法勘探时，将高压电源输入的直流高压转换成正供电、停、负供电、停、再正供电，周而复始的时间域供电波形，如图4所示；在进行频率域电法勘探时，将高压电源输入的直流高压转换成2-6Hz至214Hz的频率域供电波形，如图5所示。测量部分同步测量供电的电流值和其它道接收的电压信号，可以扩展测量120道或更多道数据。

可以将B供电电极接到无穷远处。SoPC控制电路通过接口接收计算机指令，如图6所示，在排列内控制A电极从第一道开始供电，其余道接收信号(若信号太强时，A电极相临道可以不接收)，接收信号结束后，第二道电极开始供电，其余道接收，以此类推，一直到最后一道电极供电，其余道接收信号。在做偶极偶极等装置测量时，A电极和B电极在排列上，移动供电，测量电极测量信号。即可以进行时间域测量，又可以进行频率域测量。如果电压大于600V、电流大于4A时，可以将A、B电极放在排列电缆外连专线供电，以便加大功率，加大勘探深度。

SoPC控制电路同时控制所有通道输入(接收时)或高压输出(供电时)，控制供电道的电路供电，其余道测量输入信号。

取样与隔离放大器测量供电电流，并将高压电路与低压电路隔离后进行数字化。隔离放大器采用AD202KN。

如图7所示，SoPC控制电路还控制前置放大器将弱信号放大，以提高测量精度；滤波器滤除干扰信号，以提高信噪比。SoPC控制电路还控制AD转换器，把滤波后的模拟信号转换成数字信号。每道都有前置放大器、滤波器、AD转换器，其线路是相同的。将采集到的电压、电流数据进行处理、显示。计算机通过接口电路把数据存储器中的数据读到计算机内存进行处理、显示，并按一定的数据格式存储数据文件。

如图9所示，所有通道中的每个通道有两个继电器，由MC1413控制。其中一个H继电器用于控制供电。在选中某道电极后，MC1413驱动供电H继电器吸合连接该电极，将高压电通过该电极加到大地开始供电。另一个L继电器用于控制测量。在选中某道电极后，MC1413驱动测量L继电器吸合连接该电极，将该电极接触点的电位送到接收电路进行测量。任何时间二者不能同时工作，供电时不测量，测量时不供电。所说的通道输入/高压输出控制电路各道的电路结构是相同的。

如图8所示，电缆采用多根组合。仪器左侧连接一半电缆，电缆之间串联连接。仪器右侧连接一半电缆，电缆之间串联连接。这样可以实现多道连续滚动测量。如果与第一根电缆对应的通道测量完成后，可以搬到最后(其它电缆不动)，与最后边的电缆连接，实现高效率的连续滚动测量。

如图1所示，每个通道都有与之对应的24位AD转换器，即所有通道都同时采集数据，这样数据采集速度可以高达十微秒级，提高了时间精度。24位AD转换器的动态范围大、测量精度高。所用的AD转换器采用ADS1274，每片AD转换器同时接收4道(或采用ADS1278，每片AD转换器同时接收8道)。

在工控机上装有控制软件和处理软件。开机后初始化，输入工作参数。检查控制与采集系统是否正常。选择测量方法，若是电法勘探则执行电法勘探程序，若地震勘探则执行地震勘探程序。

在进行电法勘探时，先要检查电极接地状况。然后根据指定的频率(或脉冲宽度)、输出电压大小、道数、道号、叠加次数、测量装置等参数进行循环叠加测量、进行不同道号的排列循环测量。在数据采集过程中，一边采集数据一边显示数据，监视数据质量和仪器工作状态。最后，将数据以文件的形式存盘。

多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统可以进行反射波勘探、反射覆盖测量、折射波勘探、面波勘探、地震影象测量、波速测量、测桩、地脉动测量、爆破测量等。仪器启动后，首先检查检波器和电缆连接是否正常。计算机系统指示控制与采集系统控制震源激发地震波，控制指定的道数采集数据、处理数据、显示地震数据波形。在多次数据叠加测量时，重复测量直到指定的叠加次数完成，再将测量结果以文件的形式存盘。

本发明的多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统的使用方法是：

(1)多根多道电缆之间串联连接；

(2)每根电缆连接6道、8道、10道、12道、15道、20道、24道或30道电法勘探电极或地震检波器。由SoPC控制电路控制。

(3)将一半电缆连接到仪器左侧，将一半电缆连接到仪器右侧；

(4)在做电法勘探时，连接电极，由SoPC控制电路控制供电或接收电信号；或者在做地震勘探时，连接检波器，由SoPC控制电路控制接收地震信号；

(5)由SoPC控制电路控制高压供电电桥将直流高压电源转换成正负供电的时间域或频率域的高压电流向地下供电；

(6)同步测量多道电压与电流数据或者地震数据；

(7)将采集到的电压、电流或者地震数据进行处理、显示；

(8)将处理后的结果以文件的形式进行存储。

本发明的多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统既可以做时间域电法勘探、频率域电法勘探，又可以做地震勘探，具有多功能的特点；测量电法信号时，功率可以达到十千瓦以上，具有功率大的特点；测量道数多，多道数据可以同时采集，而且可以滚动测量，工作效率大大提高；多道数据同时采集，数据采样速度可以高达十微秒，提高了时间精度。

Claims (5)

1.一种多功能大功率多道滚动快速测量电法地震综合测量系统，其特征在于：包括仪器、60道电缆、电极和检波器，所述仪器包括计算机、SoPC控制电路、高压电源、高压供电电桥、电流取样与隔离放大器、通道输入/高压输出控制电路、前置放大器、滤波器、AD转换器和数据存储器；其中，所述计算机通过网口连接所述SoPC控制电路，通过USB接口存储与读取数据文件；所述SoPC控制电路通过接口接收计算机指令，控制高压供电电桥把高压电源输入电压转换成正负供电的时间域或频率域的高压电流，通过60道电缆中任意两道上的接头与电极相连形成的电极A和B向地下供电，其中电极B被接到无穷远处；在电压为600V且电流为4A以下的工作条件下，先采用60道电缆与电极相连后的第一道作为电极A开始供电，其余道接收信号；接收信号结束后，采用60道电缆与电极相连后的第二道作为电极A开始供电，其余道接收，以此类推，一直到采用60道电缆与电极相连后的最后一道作为电极A供电，其余道接收信号；在做偶极-偶极装置测量时，电极A和电极B在排列上，向前移动供电，测量电极测量信号，能够进行时间域测量和频率域测量；如果电压大于600V且电流大于4A时，将电极A和B放在排列电缆外连专线供电，能加大功率，实现10千瓦以上功率供电测量，以加大勘探深度；

所述电流取样与隔离放大器测量供电电流，并将高压电路与低压电路隔离后进行数字化，并将数字化后的供电电流数据通过SoPC控制电路转发给计算机进行存储；当用于电法勘探时，60道电缆的每一根分别与一电极相连；用于地震勘探时，60道电缆的每一根分别与一检波器相连；所述SoPC控制电路同时对60道进行控制，其中60道电缆中的任意两道被作为电极A和B进行供电，其余道均作为测量输入通道用于采集信号的输入；

所述SoPC控制电路还控制前置放大器将测量输入通道中采集的模拟输入信号进行放大；放大后的模拟输入信号进入滤波器滤除干扰信号，提高信噪比；经滤波后的模拟输入信号进入由所述SoPC控制电路控制的AD转换器，被转换成数字信号，所述转换后的数字信号被存储到数据存储器中；所述计算机通过接口电路把数据存储器中的数据读到计算机内存，并与先前所存储的数字化后的供电电流数据一并进行地电及地震采集数据预处理并显示，并且按一定的数据格式存储处理后的数据文件。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所有通道中的每个通道有两个继电器，其中一个用于控制供电，另一个用于控制测量，且二者不能同时工作，供电时不测量，测量时不供电。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：其中所述电缆采用多根组合，仪器左侧连接1-30道电缆，电缆之间串联连接；仪器右侧连接31-60道电缆，电缆之间串联连接；如果与第一根电缆对应的通道测量完成后，可以搬到最后，与最后的电缆连接，实现连续滚动测量。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：其中每个通道都有与之对应的24位AD转换器，且所有通道都同时采集数据，数据采集速度为十微秒级。

5.一种使用权利要求1所述系统的电法地震综合测量方法，其特征在于：

(1)采用多根多道电缆，电缆之间串联连接；

(2)每根电缆连接6道、8道、10道、12道、15道、20道、24道或30道电法勘探电极或地震检波器，由SoPC控制电路控制；

(3)将1-30道电缆连接仪器左侧，将31-60道电缆连接到仪器右侧；

(4)在做电法勘探时，电缆连接电极，由SoPC控制电路控制供电或接收电信号；或者在做地震勘探时，电缆连接检波器，由SoPC控制电路控制接收地震信号；

(5)由SoPC控制电路控制高压供电电桥将直流高压电源转换成正负供电的时间域或频率域的高压电流向地下供电；

(6)同步测量多道电压与电流数据或者地震数据，能够扩展测量120道或更多道数据；

(7)将采集到的电压、电流或者地震数据进行处理、显示；

(8)将处理后的结果以文件的形式进行存储。